Дочекались: новий прорив у робототехніці – роботи навчилися рити землю
Завдяки досягненням в сфері робототехніки у нас вже є машини, які подорожують по суші, повітрю і морю. Тепер інженери подолали один з останніх рубежів: гранульовані підземні простори. Вчені розробили м’якого робота, який може прориватися крізь пісок та інші важкопрохідні поверхні.
Щоб подолати обмеження традиційної робототехніки, дослідники Каліфорнійського університету в Санта-Барбарі (UCSB) і Технологічного інституту Джорджії надихалися досвідом природи, а саме зміями.
Сили, які чинять спротив підземному руху, на порядки вище, ніж в повітрі або воді. Наприклад, людина не може викопати яму майже так само швидко, як вона може бігати або навіть плавати. В результаті для більшості методів копання потрібна важка і потужна техніка на зразок екскаваторів. Хоча ці інструменти ефективні, вони обмежені в можливості змінювати напрямок під землею і можуть бути не найпрактичнішими в порівнянні з невеликим роботом.
Ще одна проблема горизонтального риття тунелів полягає в тому, що на симетричний об’єкт, що рухається горизонтально в гранульованому середовищі, діє підйомна сила. Легше штовхати пісок вгору і в бік, ніж ущільнювати його – в результаті об’єкт, що рухається по піску горизонтально, завжди прагне піднятися на поверхню.
Головна частина нового робота – його наконечник, який виступає на зразок кореня рослини. Робот просувається вперед, висуваючи з наконечника, а значить, вся інша його частина залишається нерухомою щодо навколишнього середовища. Таким чином, незалежно від довжини робота і його шляху, йому потрібно подолати тільки сили опору на наконечнику, а не з боків.
Робот-змія здатний зариватися в пісок, не відчуваючи опору з боків. Зображення: UCSB
Іншою проблемою, яку довелося вирішити дослідникам, була сила опору, що виникає в основі робота. Вони вирішили цю проблему за допомогою гранульованого псевдозрідженого шару (це стан, характерний для сипучих матеріалів при пропущенні через них потоку повітря або газу під тиском). Робот видуває зі свого наконечника струмінь повітря, який викопує і розріджує навколишній пісок. Таким чином, тиск повітря, що проходить через частинки піску, зупиняє їх, дозволяючи їм текти повз один одного, як рідина.
Інженери також подолали підйомну силу, створювану при горизонтальному риття нір, за рахунок грамотного використання повітряного потоку. Направляючи повітря прямо вниз, перпендикулярно напрямку руху робота, пісок розпушується під наконечником робота, а створювана ним підйомна сила зменшується. Це забезпечує контрольоване горизонтальне копання і поворот. Такий принцип застосовує ящірка-піщанка, яка використовує свій клиновидний ніс, щоб допомогти собі заритися в пісок.
Проект виник тому, що інженери були зацікавлені в створенні моделі росту коренів рослин. Вони використовували принцип висування наконечника робота-змії в іншій роботі, щоб вивчити, як коріння рослин можуть пасивно рости навколо перешкод. Але горизонтальне риття виявилося набагато складніше, ніж очікувалося, тому що робот продовжував «спливати» на поверхню.
Під час створення прототипу робота також провели серію контрольованих фізичних експериментів, щоб зрозуміти як потік рідини впливає на підйомну силу і опір твердого об’єкта, що рухається через пісок.
Подовження наконечника і гранульоване псевдозрідження мають ряд переваг в порівнянні з іншими методами. Наприклад, при висуненні з наконечника робот не відчуває тертя з боків, тобто тертя не збільшується зі збільшенням довжини або кривизни траєкторії. А подовження наконечника означає, що робот може повертатися в будь-якому напрямку, незалежно від пройденого ним шляху. Сучасні методи, такі як похило-спрямоване буріння, обмежені в цьому.
Розробка забезпечує покращену продуктивність при довгому, неглибокому і направленому ритті і має безліч потенційних застосувань в майбутньому. На землі це відбір проб ґрунту, мінімально інвазивне зрошення, встановлення проводів або геотермальних петель без риття траншей, боротьба з ерозією, пошуково-рятувальні роботи та огляд зерносховищ. Цей метод також добре підходить для сухих позаземних середовищ з низькою гравітацією, де може бути важко створити реактивні сили. У майбутньому вчені сподіваються дослідити можливість інтеграції подовжувача наконечника з традиційними технологіями буріння і розвідки.